JPS6237687A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はプレート型熱交換器に関し、特に、熱交換器を
流れる流体同士で交差流熱接触を行わせるようにした熱
交換器に関する。

熱交換器は様々な用途に使用されるが、主に、冷却や空
調に使用するために開発されてきている。

その様な用途では、作動必要条件と一見矛盾するが、ユ
ニットを非常にコンバク１〜にして製造コストを低減す
ることが要求される。熱交換器は種々の条件を満足させ
るように開発されてきており、具体的には、種々の作動
流体（ガス、液体、２相流体、冷媒、油、水及びグリコ
ール）を使用でき、数キロワットから数百キロワットま
での範囲の容量を有し、種々の温度条件（熱的に接触す
る流体の温度が広範囲に異なる場きを含む）で使用でき
るように、熱交換器の製造開発は行われてきている。

１９７４年１２月に発行の文献「ケミカル・エンジニア
リング」（８０〜８３頁の記事「グラファイト熱交換器
」）には、本発明の内容に関連するような、流体同士の
交差流熱接触を行う形式の熱交換器が記載されている。

この記事によると、グラファイト板により、矩形ブロッ
ク型の交差流熱交換器が構成されており、２群の平行孔
が直交する状態で内部に設けである。グラファイト板は
熱硬化性樹脂により互いに接合されており、組み立てら
れたブロックは鋳鉄製の締め付は板の間で圧縮状態に維
持されている。ブロックの４面にはヘッダーがボルト止
めされており、ブロック内の各群の孔に対して液体の供
給及び排出を行うとともに、液体が孔を通過する間に、
その周囲のグラファイトブロック部分を通して熱交換を
行うようになっている。

米国特許第１６６２８７０号にも、直交溝を設けた板の
ｍａ体により交差流型の熱交換器を構成することが記載
されている。この構造では多数の板をボルト止めしてコ
アが形成されており、上記グラファイト熱交換器の場合
と同様に、コアの４面にボルト止めしたヘッダーと各消
との間で流体が流通する。

上述の２個の従来型熱交換器はコンパクト化を図れるよ
うには構成されていない、この点については、最新の組
立技術を採用することにより改善できるが、これ以外の
問題として、上記従来の熱交換器では、いずれも、熱交
換器のコアの内部を流体が流れる時以外は、流体同士で
熱的な接触な行わせることができないということがあげ
られる。

この点について本発明は、対照的な構造となっており、
後述する如く、ヘッダーの壁部を介して一方の流体が他
方の流体と熱的に接触し、それにより、ヘッダーとコア
との間の境界部に生じる恐れのある熱応力を減少させる
ようになっている。

ヘッダーまたはマニフォールド（ヘッダーと総称する）
を熱交換器のコアに取り付けると、適当な処置を施さな
い場合、ヘッダーの温度は、そこを流れる流体の温度に
近付くのに対し、コアの温度は両方の流体の入口温度の
間の値となる。そのために、コアとヘッダーとめ取付部
が剛体である場合（例えば溶接やろうｆ′ｔ、半田付で
固定した場合）、ヘッダーとコアの間の膨張量の差によ
り、ヘッダーとコアとの取付部の近傍で著しい応力が生
じる。このために、延性のある材料を使用した場合には
、動作サイクルが増加すると、疲労破壊が生じ、もろい
材料を使用した場合には、即時、破損する。

上記問題は、一方の流体の入口温度がコアの温度と離れ
ており、高い流体圧に耐えるためにヘッダーに重い壁部
を設ける場合に非常に重大になる。

この様な状況は、一方の流体の熱容呈が他方の流体より
も非常に低く、そのために、熱交換器を流れる間に大き
い温度変化が生じる場合や、一方の流体が、例えば伝熱
性が低いために、他方の流体よりもコア内での熱移動係
数が非常に低い場合に生じる。

冷却スクリューコンプレッサー用の油クーラーでは、例
えば、水により油を約９０℃から約５０℃へ冷却し、そ
れにより水の温度が約３０℃から３５°Ｃへ上昇するが
、上述の要因はいずれもその様な油クーラーに当てはま
る。水の伝熱性は非常に高く、しかもその熱移動が乱流
により促進されるので、コア内での水の熱移動係数は油
の約１０倍になる。

従って、コアのいずれの部分でもコア温度は約４０℃以
下であるが、始動動作時や停止動作時にはコアの入口側
へ油を運ぶヘッダーは、その温度がコアに対して５０℃
変化する。このためにコアとヘッダーとの取付部に異常
に大きい応力が加わる可能性がある。

本発明の熱交換器では、上記問題を解決するために、複
数の平坦な金属板を積層状態で配置して拡散接合により
面接触状態で互いに接合してコアを形成している。少な
くとも一部の複数の板には、板の互いに反対側の第１対
の縁部の間を延びる第１群の溝を形成し、少なくとも一
部の複数の板には、上記第１群に対して横方向に配置さ
れる第２群の溝を形成し、該第２群の清を板の互いに反
対側の第２対の縁部の間で延ばすとともに、第１群の溝
と連通しない状態に保っている。各板の溝は板厚よりも
小さい深さで形成して、その深さを０．２ｚｚないし１
．５ｍ履の範囲内に設定する。コアの互いに反対側の縁
部に第１及び第２のヘッダーを接合して第１群の溝に流
体が流れる状態で連通させるとともに、第１及び第２の
ヘッダーを介して第１群の溝に第１流体を流すための手
段が設けである。

コアならびに第１及び第２のヘッダーを収容する容器が
設けてあり、該容器の内部がコアの第２群の溝に対して
流体が流通する状態で連通している。

コアの第２群の講及び容器の内部へ第２流体を流入させ
る手段を設け、第２流体が、容器の内部に於て第１及び
第２ヘツグーの外面と接触するようにし、第２流体をヘ
ッダーと接触した後に、容器の内部から排出するように
なっている。

第１及び第２の流体の熱交換は、それらの流体がコアを
流れる間に行われ、また、第１及び第２のヘッダーは、
それぞれ内面及び外面に於て、第１及び第２の流体に晒
される。そのためにコアとヘッダーの温度は２つの流体
の温度の間の値となり、通常は、伝熱性が高い方の流体
の温度に近ｆｆく、コアとヘッダーの温度が、従来構造
の場合よりも、互いに接近した値となるので、熱応力は
大幅に減少される。第２流体としては、高い伝熱性を有
する流体を運ぶことが好ましく、この場合には、コア及
びヘッダー、容器が同様の温度となる。

レイノルズ数を高くして、何れか一方または両方の群の
溝に於て乱流を誘発できるだけ値に設定する場合、溝を
ジグザグ形や蛇行形の通路あるいはそれ以外の湾曲通路
で形成し、溝を流れる流体に乱流を生じさせるようにす
ることが好ましい。

何れの場合でも、清は、好ましくは板の全長又は全幅に
わたって延びる状態で、板の縁部まで延ばす、但し、縦
方向に延びる講は、その満を設けた板表面の全幅にわた
っては形成せず、横方向に延びる清は、その溝を設けた
板の全長にわたっては形成しない。

２群の清を各板に形成することができ、その場合には第
１群の溝を板の一方の面に形成し、第２群の渭を他方の
面に形成する。但し、縦方向に延びる第１群の清は、１
組の板に形成し、横方向に延びる第２群の渭は他の組め
板に形成し、上記２種類の板を交互に積層状態に配置す
ることが好ましい。いずれの場合でも、隣接する講付き
の板の間にスペーサ板を設けてもよい、スペーサ板を使
用する場合には、その厚さを０．４ｘｘ〜１．Ｏｘｚの
範囲にすることが好ましい。

各板の清は化学または電解加工により形成することが好
ましい。また板の厚さは、溝の下側または溝の間に０．
４ｉｘ〜１．Ｏｘｚの範囲の厚さの金属部分が残るよう
に設定することが好ましい。

コアに対する第１流体の供給及び排出は第１及び第２の
ヘッダーにより行うが、第２流体については、流体にコ
アを晒すことにより、慣性や浮力、重力の影響を受けて
第２流木が第２群の溝の流れるようにすることもできる
。

但し本発明の実施例では、コアの一方の縁部に第３ヘッ
ダーが固定してあり、第３ヘッダーに第２群の清が連通
ずるとともに、コアに対する第２流体の流通を第３ヘッ
ダーにより行うようになっている。コアを通過する前ま
たは通過後に、第２流体は容器内を流れ、その間に、第
１及び第２、第３ヘフダーの外面と接触する。

その場＆に、第１及び第２のヘッダーは、いずれも、そ
の内面及び外面に於て第１及び第２の流体とそれぞれ接
触するが、第３ヘッダーは、その内面及び外面の両方に
於て、第２流体だけと接触する。このことは以下の理由
により許容できる。

（１）　　第２ヘッダーの内面または外面のいずれかが
コア通過後の第２流体と接触する。

（２）伝熱性が高い場合、通常は第２流体の温度がコア
の温度と近い値となる。

（３）第３ヘッダーは、それに対する差圧が低いので、
第１及び第２ヘッダーと比べて軽１ｔｌｉ造であり、第
１及び第２ヘッダーよりも熱応力に関する問題が生じに
くい。

（４）　　第３ヘッダーに疲労亀裂が生じた場合でも、
２種類の流体の混合や損失には至らないので、さほど重
大な問題にはならない。

ヘッダーは溶接やろう付、半田付によりコアの各縁部に
接合することができる。

次に本発明の実施例を図面により説明する。

第１図及び第１Ａ図に示す如く、熱交換器のコアには多
数の平坦なステンレス板からなる積層体２０が設けであ
る。それらの板は互いに面接触状態で接合されており、
１対の端板２１，２２の間に配置されている。上記板は
接触面に於て拡散接合により接合されており、上記接合
を行う場合、板を互いに圧接させた状態で金属の融点に
近い温度まで加熱し、それにより界面結晶成長を促進す
る。接合処理中は、板の積層体を０．５％〜５．０％だ
け圧縮し、それにより、接合状態を確実にするとともに
、板の平坦度が低い場合に、それを補償する。

積層体２０は、２種類の板２３．２４を交互に績み重ね
た構造である。一方の板２３には縦方向に延びる複数の
渭２５が設けてあり、各溝２５は板の互いに反対側の１
対の（第１対の）縁２６ａ、２６ｂの間を延びている。

他方の板２４には、横方向に延びる溝２７が形成してあ
り、各講２７は板の他方の対のく第２対の）互いに反対
側の縁２８ａ　、　２８ｂの間を延びている。

第２図には、縦方向に延びる講２５を形成した板２３が
図示されており、第２図から明らかなように、渭２５は
縁２６ａ、２６ｂと直角に延びているが、板の全幅にわ
たっては設けられていない、即ち、板の両側部に沿って
、溝の設けられていない縁部２９が延びている。

第３図には、横方向に延びる溝２７を形成した板２４が
示されており、この場合には、縁２８ａ、２８ｂの間を
清が板の全幅にわたって延びている。但し、横方向の講
２７は板の全長にわたっては設けられておらず、板の両
端に沿って、講の設けられていない縁部３０が延びてい
る。

板２３の清２５はジグザグに延びており、その深さは板
の厚さよりも小さい。清２７は直線状であり、その深さ
は板２４の厚さよりも小さい。

板２３．２４の溝は、その断面形状を第４図Ａに示す如
く、単純な溝で形成することもでき、また、それらに代
えて、第４図Ｂ−Ｄに示すような形状にすることもでき
る。即ち、第４図Ｂに示す如く、各溝に縦方向に延びる
カスブ３１（いばら：突出部）を形成することもでき、
第４図Ｃに示す如く、横方向に連続する複数のウェブ３
２ｔ！−形成することもできる。それらに代えて、第４
図りの如く、一連の柱３３を各溝内に不規則な状態で残
し、溝内を流れる流体に対して蛇行通路を形成すること
もできる。

清２５　、２７は板から金属を除去して形成するが、そ
の除去は化学加工または電解加工により行う。

除去しない金属部分は、加工媒体に表面を晒す前に、マ
スク（遮蔽物）を印刷法、スクリーン印刷法または写真
法（フォトレジス１〜を使用）により形成して保護する
。この方法により、熱交換器のコアに種々の材料を経済
的に使用することができ、本発明では板が比較的薄く、
しかも講が浅い場合、アルミニウムや青銅、銅、しんち
ゅう、ステンレス、鋼などを経済的に使用できる。

熱交換器に使用する第１流体が水で、第２図の板の溝を
流れ、第２流体が油で、第３図の板の溝を流れる場合、
板２３．２４の寸法は、例えば長さが４５０ｘｘ、幅が
７０ｚａ＋、厚さが１．０ｘｘに設定する。溝２５゜２
７は、その幅を１．０〜２．Ｏｚｚにし、深さを０．３
〜０．６１１の範囲にする。端板２１．２３の厚さは１
０．Ｏｚｙのオーダーにする。

第５図に示す如く、コアの互いに反対側の縁部に第１及
び第２のヘッダー３５．３６が溶接されており、流体の
入口・出口導管３７が各ヘッダーの内部に接続している
。コアを完成品の熱交換器に組み込んだ状態では、ヘッ
ダー３５から溝２５へ流体が流入し、清２５を流れる間
に、他方の満２７を流れる第２流体との間で熱交換を行
い、コアからヘッダー３６を通って排出される。

第６（２Ｉに示すコア構造は第５図の構造と類似してい
るが、更に別のく第３の）ヘッダー３８をコアの第３の
縁部に溶接し、ヘッダー３８により横方向に延びＺ＋１
ｉ４２７へ流体を送り込むようにした点が異なっている
。ヘッダー３８へは導管３９から流体が供給される。

第７図に示すコアは第６図のコアと同様に構成されてい
るが、横方向溝２７内を流体が両方向に流れるようにし
た点が異なっている。即ち、第３ヘッダー４０（第６図
のヘッダー３８に対応する）がコアの第３ｔ（！部に溶
接してあり、ヘッダー４０は部分４１で区画されている
とともに、入口及び出口導管４２．４３が設けである。

コアを熱交換器の完成品に組み込んだ状態では、流体が
横方向に延びる溝に対して導ｇ４２から流入し、渭から
コアの一端部まで流れた後に、外周容器（７示せず）に
流入する。流体は容器内に於てヘッダー３５．３８．４
０と接触し、次に他の群の渭２７を通って導管４３から
排出される。同時に、ヘッダー３５から流入した別の熱
交換流体がコアをまっすぐに流れ、縦方向に延びる消２
５を通ってコアからヘッダー３６へ排出される。

第７図に示す多通路構造は、両方の流体の流れに利用で
き、両方の流体のいずれか一方または両方に上記構造を
利用して３ｒｇＡ以上の通路を形成することらできる。

第５図〜第７図に示すコア構造は、通常は、種類の異な
る熱交換器に使用されるもので、その形式のいくつかに
ついて、第１０図〜第１３図により以下に説明する。

熱交換器コアは、第１図に示す方法で組み立てるのが最
も正単であるが、それ以外にも様々な方法でコアを構成
することができる。例えば第８［：！Ｊに示す如く、ブ
リッジ　パー４７により第１１］に示す形式の２ｒｖＪ
のコア４５．４６の端部分連結することもできる。この
場合、一方の熱交換流体は両方のコア４５．４６を、第
１図に矢印Ａで示す如く、縦方向に流れ、他方の熱交Ｉ
ｆＡ流体は両方のコアの間の空間に入ってから、反対方
向の２つの流れに分かれ、コア４５．４６を横方向に流
れるようにする。

容量の大きい熱交換器が必要であり、積層状態の板の全
数が大きすぎて１１ｊＵのｆＹ業では接合できない場合
、第９図及び第９Ａ図のようにコアを構成することらで
きる。この場ｈ、コアは３組の積層板４９．５０で形成
し、それらの積層体をスペーサ板６０を介して例えば溶
接により互いに接合する。

各積層体に於て、交互に配置した板４９．５０には、第
９Ａ図に示す如く、互いに直交する状態で溝２５゜２７
が形成しである。それらの消の輪郭は第９図に破線で示
しである。第１の熱交換流体は、矢印Ａ１、Ａ２．Ａ３
で示す方向でコアを流れ、第２の熱交換流体は矢印Ｂｌ
、Ｂ２．Ｂ３で示す方向でコアを流れる。

第８図及び第９図に示す構造を組み合わせて複合構造の
コアを構成することもできる。

第５図に示す形式のコアを第１０図に示すように熱交換
器の完成品に組み込むこともでき、その場合には、コア
の横方向に延びる溝２７を垂直方向に配置する。第１０
図の熱交換器には容器５１が設けてあり、容器５１に入
口及び出口導管５２．５３が設けであるとともに、コア
全体は容器５１の内部に配置しである。

第１熱交換流体は、導管３７からコアへ送られ、コア内
に於て第２流体と熱交換を行う。第２流体は容器の内部
を流れ、それにともなって、ヘッダー３５．３６の外面
を洗う、従って、ヘッダー３５．３６は第１及び第２の
熱交換流体の両方と接触する。

第１０図に示す熱交換器は、第２流体が容器内で飽和温
度であり、コア２０内を上方へ流れるにつれて沸騰する
様な場合に主に使用する。第２流体は、沸騰時の浮力の
影響により、コアを１回または２回以上通過し、気液富
度の差により、流体の上流側と下流側のレベルが分かれ
る。従って、コア内を横方向（垂直方向）に延びる溝に
対して熱交換流体を流すためのヘッダーは不要である。

第１１図に示す熱交換器ｎ４造は、第１０図の構造と類
似しているが、コア内で第２流体を流動させるために外
部圧力が必要である点が異なっている。

この場合、熱交換器の容器５４内に、コア２０及びヘッ
ダー３５．３６により、パンフル（邪魔板）が形成しで
ある。第１熱交換流体は、図面で右側からヘッダー３５
に流入し、コア内を左側へ流れ、ヘッダー３６から流出
する。第２熱交換流体は、コアの両側の圧力差により、
コア内の横向き（垂直方向）の講２７内を上向きに流れ
る。

第１０図の実施例の場合と同様に、第１１図のｔｔ４造
では、ヘッダー３５．３６は第１及び第２の熱交換流体
の両方に晒される。

第１２図及び第１３図に示す熱交換器では、コア２０を
収容した容器５５に筒状壁部と皿形の端部キャップ５６
とが設けである。コアは第６図に示す如く構成されてお
り、互いに反対側に配置したヘッダー３５．３６により
第１熱交換流体をコア２０に対して縦方向に流すように
なっている。ヘッダー３５．３６に接続する導管３７は
端部キャップ５６を貫通しており、第１熱交換流体を熱
交換器に対して運搬するようになっている。

第２熱交換流体は、導管３９及びヘッダー３８により、
コアに対して流通させる。第２熱交換流体は、コアを横
方向に通過した後、容器５５の内部に入り、排出導管Ｓ
７により、容器外へ運ばれる。第２熱交換流体は、コア
２０を通過して熱交換器容器の内部に入ると、各ヘッダ
ー３５．３６．３８の外面と接触する。

【図面の簡単な説明】

第１図は交差流式のプレート型熱交換器のコア部分の斜
視図、第１Ａ図はコアの板部分の拡大図、第２図は縦方
向に延びる溝を有するコアの一方の板の平面図、第３図
は横方向に延びる溝を有する他方の形式の板の平面図、
第４図Ａ−Ｄは第３図の板に設けられる講のそれぞれ別
の実施例の横断面図、第５図はコアの第１及び第２の（
互いに反対側の）縁部にヘッダーを溶接した熱交換器コ
アの斜視図、第６図は第５図と同様のコアの第３の縁部
に更に別のヘッダーを取り付けた構造の斜視図、第７Ｉ
２Ｉは第６図と同様の構造に於て両方向流を形成できる
ように第３ヘッダーを構成したｔ’ＲＹＨの平面図、第
８図は第１図と同様の積層体を２個使用してスペーサ板
により間隔を隔てて配置した２要素型コアの斜視図、第
９図は３個の互いに分離した縦方向の溝領域と３個の互
いに分離した横方向の溝領域とを有する別の実施例のコ
アの斜視図、第９Ａ図は第９図のコアの板部分の拡大ヱ
゛Ｉ視図、第１０図は第１図に示す形式のコアを容器内
に設けたｉ造の断面略図、第１１図は容器内にコアを設
けた別の実施例の断面部分略図、第１２図は第６図に示
す形式のコアを内部に組み込んだ熱交換器完成品の斜視
図、第１３図は第１２図の熱交換器を第１２図の１３−
１３ＩｉＩＴ面で示す正面断面図である。 ２０・・・積層体　　２］、２４・・・板２５．２７−
・−講　　２６ａ、２６ｂ、２８ｇ、２８ｂ−縁３５．
３６．３８・・・ヘッダー ４７・・・ブリッジ・バー（連結棒材）５１・・・容器 代理人　　弁理士　　伊　　藤　　　輝外３名 アＧＢ ＦＩＧ、　２　　　　　　　　　　　　ＦＩＧ、３ＦＩ
Ｇ、　４ ＦＩＧ、　５ ＦＩＧ、　６ ＦＩＧ、　９ ＦＩＧ、　ＩＩ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １（ａ）複数の平坦な金属板を積層状態で配置して拡散
   接合により面接触状態で互いに接合してコアを形成し、
   少なくとも一部の複数の板に、板の互いに反対側の第１
   対の縁部の間を延びる第１群の溝を形成し、少なくとも
   一部の複数の板に、上記第１群に対して横方向に配置さ
   れる第２群の溝を形成し、該第２群の溝を板の互いに反
   対側の第２対の縁部の間で延ばすとともに、第１群の溝
   と連通しない状態に保ち、各板の溝を板厚よりも小さい
   深さで形成して、その深さを０．２ｍｍないし１．５ｍ
   ｍの範囲内に設定し、（ｂ）コアの互いに反対側の縁部
   に第１及び第２のヘッダーを接合して第１群の溝に流体
   が流れる状態で連通させ、 （ｃ）第１及び第２のヘッダーを介して第１群の溝に第
   １流体を流すための手段を設け、（ｄ）コア及びヘッダ
   ーを収容する容器を設け、該容器の内部をコアの第２群
   の溝に対して流体が流通する状態で連通させ、 （ｅ）コアの第２群の溝及び容器の内部へ第２流体を流
   入させる手段を設け、容器を通過する第２流体が、容器
   の内部に於て第１及び第２ヘッダーの外面と接触するよ
   うにし、 （ｆ）第２流体をヘッダーと接触した後に、容器の内部
   から排出する手段を設けたことを特徴とする熱交換器。 ２　第２群の溝を容器の内部に直接連通させ、第２流体
   が容器の内部からコアを通って容器の内部へ流れるよう
   にしたことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の
   熱交換器。 ３　コアと第１及び第２のヘッダーとにより、容器を２
   つの部分に区画する邪魔板を形成したことを特徴とする
   特許請求の範囲第１項に記載の熱交換器。 ４　コアの１個の縁部に第３ヘッダーを接合して、コア
   の第２群の溝と流体流通状態で連通させ、第３ヘッダー
   及びコアを介して容器に対して第２流体を流通させるた
   めの導管を設けたことを特徴とする特許請求の範囲第１
   項に記載の熱交換器。 ５　平坦な金属板の上記積層体を２個使用してコアを形
   成し、各積層体に、第１及び第２群の溝を形成した板を
   組み込み、２個の積層体をスペーサ棒材で接合して、２
   個の積層体の対応する１群の溝の間で流体が流れるよう
   にしたことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の
   熱交換器。 ６　平坦な金属板の上記積層体を少なくとも２個使用し
   てコアを形成し、各積層体に、第１及び第２群の溝を形
   成した板を組み込み、各積層体の第１及び第２群の溝が
   互いに平行になる状態で、両方の積層体を端部に於て連
   結したことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の
   熱交換器。 ７　第１群の溝を第２群の溝に対して直角に配置したこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の熱交換器
   。 ８　第１及び第２群の内の少なくとも一方の群の溝を非
   直線状に設けたことを特徴とする特許請求の範囲第１項
   に記載の熱交換器。 ９　第１群の溝を１組の板に形成し、第２群の溝を他の
   組の板に形成し、両組の板を交互に積層状態で配置した
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の熱交換
   器。